石城河水库砂砾石坝基强夯法处理试验研究

吴思鹏

摘要：本文介绍了强夯法在云南省石城河水库地基基础处理中的试验研究与施工。实际运用表明：该技术能满足设计要求，可以达到坝基基础加固和节约投资的目的。

关键词：基础处理；强夯法；试验研究；石城河水库

1 引言

强夯法又称动力加固法，它适用于砂砾石土、粉土、湿陷性黄土和人工填土地基的处理。强夯加固地基时对地基的作用结果可以概括为固结作用、液化作用、加密作用和时效作用。近年来广泛运用于炼油厂、空港、高速公路等基础设施的地基加固处理。而强夯法地基处理运用于水利水电工程地基加固处理还处于试验性和尝试的阶段，其效果如何有待于探索研究与实践。但随着国家对环保日益重视，强夯法加固处理土石坝坝基运用前景广阔，可有效减少坝基开挖弃渣量，有利于水土保持。本文以云南省石城河水库强夯法处理坝基为例，简述强夯法处理基础试验及施工过程。

2工程概况

石城河水库位于宣威市西部的西泽乡，坝址位于金沙江三级支流迤那河上。总库容1142×104m3，兴利库容859×104m3，枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、输水隧洞组成。拦河大坝为混凝土面板堆石坝，趾板建基面高程1839.00m，坝顶高程1920.00m，最大坝高81m，坝轴线长280m，坝顶宽7m，最大坝脚宽225m，设计上、下游坝坡为1：1.4。

坝址区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期均为0.45s，地震基本烈度为Ⅶ度。

3 坝基地层

坝址区河床覆盖层为厚9～20m的第四系冲洪积层、砂砾石层，结构松散，具有强透水性，强度低，易产生压缩变形及不均匀沉陷，下伏基岩为P2β致密块状、杏仁状、斑状玄武岩及凝灰质玄武岩。

施工阶段对坝基进行进一步勘察，根据钻孔揭示资料，现将场区揭露深度范围内的地层岩性从上至下分述如下：

1-1含泥砂砾石层：棕红、褐灰、灰绿、褐灰等色，稍湿，主要以砂砾石组成。砾石成分为玄武岩，弱风化，粒径0.2～12cm。据37组颗粒分析资料，砾石含量54.9～79.8%，平均64.5%；含泥量1.2～10.8%，平均4.9%。据现场注水试验资料，渗透系数1.01×10-2～4.27×10-2cm/s， 平均2.48×10-2cm/s。据重型动力触探试验资料，该层锤击数6.2～26.2，承载力fk为228.0～704.0kPa，修正后锤击数N=14.72击，承载力fk=474.0kPa；结构松散～中密。该层厚度7.0～16.4 m。

1-2含砾石粘土透镜体：褐灰、灰绿、深灰、黑灰等色，稍湿，主要以粘土组成，含砾石、植物根茎，腐木，结构松散～稍密，岩芯呈土柱状，呈软塑～可塑状态。据土工试验资料，该层孔隙比e为0.810～1.164，平均1.017；塑性指数IP为12.9～29.5，平均24.95；压缩系数a0.1-0.2为0.23～0.44，平均0.315MPa-1，具有中等压缩性；凝聚力c为29.68～46.58 kPa，平均37.95kPa；内摩擦角Φ为11.25～16.58°，平均14.29°；渗透系数1.21×10-7～3.35×10-7cm/s， 平均2.29×10-7cm/s。重型动力触探试验平均锤击数N=2.08击，其天然孔隙比大，其力学性质差，地基承载力基本值fk=118.4kPa。其中在ZK30、ZK34、ZK35、ZK40、ZK41五孔有揭露，厚度分别为3.4m、2.4m、1.8m、2.1m、0.8m。該层厚0.8～3.4m。

1-3含砾石中、粗砂透镜体：棕红色，稍湿，主要以粉细砂组成，含砾石、泥，结构松散，孔隙较大，岩芯呈沙状。该层重型动力触探试验修正后锤击数N=2.39击，地基承载力基本值fk=101.7kPa，力学性质差。仅在ZK37孔揭露到，厚度1.0m，顶、底板埋深10.9～11.9m。

2-1强风化玄武岩：灰绿、深灰、褐黄等色致密块状玄武岩、斑状、杏仁状玄武岩，块状构造，碎裂结构，节理发育，方解石脉充填或无充填，宽1～3mm，面粗糙，铁膜和泥膜浸染。岩体较破碎，岩芯呈短柱状及碎块状，较软岩～中硬岩，中硬状态，RQD为5～15%，较破碎。该层重型动力触探试验修正后锤击数N=28.96击，地基承载力基本值fk=915.0kPa。厚0.8～2.1m。

场地原始地基岩土的承载力和密实度见表3-1，3-2：

4 强夯试验

4.1 试验标准

试验拟定质量控制标准如下：

① 河床砂砾层经强夯处理后其相对密度不小于0.75，干密度不小于2.15g/cm3。

② 强夯后地基承载力≥400kPa

③ 强夯后最后两击相对夯沉量不大于50mm

④ 强夯后地面最终沉降量按下表控制

4.2 能级选择

加固深度采用梅那（L.Menard）公式进行估算：

H=α√（Wh/10）

式中：H----加固地基影响深度（m）；

α----修正系数，范围0.38～0.8；

W----夯锤重量（kN）；

h----重锤落距；

砂砾石地基修正系数取0.5～0.6、锤重40t，落距20m时，估算的最大加固深度为14.1～16.9m。强夯试验能级确定E=W·h=40×20×10=8000kN.m。考虑到要处理的砂砾石地基深度最高达16m，试验中采用8000kN.m和10000kN.m能级的试夯比较。

4.3检测参数

为了解坝基砂砾石覆盖厚度、基岩埋深、地基在垂直向和水平向的密实均匀性，以及强夯处理后的效果，主要采用以下试验参数进行强夯前、后的比较：干密度、原位渗透、动力触探试验和载荷试验。

4.4 试区选择

为验证强夯法处理地基的有效性，在场区选择了两个区域做强夯试验，即强夯试验一区和强夯试验二区。强夯试验一、二区试验面积均为24m×24m，即576平方米。强夯试验一区单击夯击能为8000kN.m，强夯试验二区单击夯击能为10000kN.m。夯点间距按4×4m布设，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序布点，分序进行强夯；在各试验区强夯试验前、后各布置3个钻孔做重型动力触探试验、钻孔注水试验，并对试夯区做平板载荷试验。

4.5 试验成果

强夯试验一区动力触探试验强夯前布有ZKD1、ZKD2、ZKD3三个动力触探试验孔，强夯后布有ZKD4、ZKD5、ZKD6三个动力触探试验孔，试验成果统计见表4-1，4-2，4-3。

强夯试验二区强夯前布有ZKD7、ZKD8、ZKD9三个动力触探试验孔，强夯后布有ZKD9、ZKD10、ZKD11三个动力触探试验孔，试验成果统计见表4-4，4-5，4-6，4-4。

对地基试夯前夯后原位载荷试验，试验承压板规格为1.50m×1.50m的方形钢板，试验成果见表4-8。

强夯试验成果显示，坝基砂砾石层：深度0～5.0m效果最好，深度5.0～7.0m效果好，深度7.0～9.0m效果較好，深度9.0～16.0m为强夯影响区域。试验成果验证了砂砾石地基在密实度、渗透性、地基承载力均有极大的改善，地基处理可达设计要求。

5 强夯施工

清除坝基范围内耕作层及淤泥质土层1～4m，平整至高程1849m，对保留的砂砾石层地基进行强夯加固处理。保留覆盖砂砾石层地基深度8～16m，面积12600m2。

对强夯试验成果进一步分析，大坝砂砾石地基处理施工分三序进行，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序布点，点点跳夯、排排跳夯，采用四遍成夯施工工艺，强夯点距按 4m×4m布置。第一遍、第二遍为主夯点，单击夯击能采用10000kN.m，第一遍主夯点8m×8m正方形布点，第二遍主夯点布置在第一遍主夯点相邻四个夯点的中心处，第一遍主夯点和第二遍主夯点整体呈梅花形布置，累积夯击数不少于20击。第三遍为加固夯，单击夯击能采用8000kN.m，5.66m×5.66m正方形布点，第三遍加固夯夯点布置在第一、二遍主点夯每四个呈方形布置的夯点中心处，累积夯击数不少于15击。第四遍满夯，满夯单点夯击能采用3000kN.m，夯印搭接1/3布点，夯点击数3击。

6 结语

土石坝砂砾石坝基处理采取强夯法加固处理，可减少坝基挖、填方量，减少弃渣场征占地，对环境保护有正面积极影响。通过本工程强夯试验研究和施工证明强夯法加固砂砾石坝基可以提高地基的密实度和承载力，能满足设计要求从而达到加固处理地基的目的。

参考文献

[1]《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013）.

[2]《水利水电工程钻探规程》（SL291-2003）.

[3]《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2002）.

[4]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）.

[5]《云南省宣威市石城河水库初步设计报告》.